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OS DESAFIOS DO ETANOL LIGNOCELULÓSICO NO BRASIL

— O bagaço da cana-de-açúcar como uma nova fonte de etanol

Vinicius Waldow Analista Ambiental [email protected]

12/09/2013

mailto:[email protected]

ASSUNTOS ABORDADOS —

1. Petrobras

2. CENPES

3. Biocombustíveis

4. Etanol hoje

5. Etanol lignocelulósico

6. Desafios do etanol lignocelulósico

PETROBRAS —

• A Petrobras (Petróleo Brasileiro S.A.) é uma empresa estatal de capital aberto fundada em 1953 e atualmente é a sétima maior empresa de energia do mundo.

Exploração e Produção de Petróleo e Gás Natural

Refino de Petróleo e Gás Natural

Distribuição

Petroquímica Geração de Energia Elétrica

Transporte e Comercialização

Biocombustíveis (desde 2008)

CENPES —

• O Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Mello foi fundado em 1963.

• Maior centro de pesquisa do hemisfério sul.

• Atende as demandas de P&D e Engenharia Básica das diferentes áreas de negócio da Petrobras.

• Possui diversas parcerias com instituições de pesquisa e ensino.

BIOCOMBUSTÍVEIS: O QUE SÃO? —

• Biocombustíveis são combustíveis produzidos predominantemente a partir de biomassa.

• Sua importância reside em poderem substituir os combustíveis fósseis (gás natural, carvão e petróleo).

1) Biodiesel substitui o petrodiesel (C10-18) em motores de ignição por compressão.

2) Bioetanol substitui a gasolina (C7-9) em motores de ignição por centelha.

C14H30

CH3CH2OH

BIOCOMBUSTÍVEIS: POR QUÊ? —

• Crescimento do consumo de energia global: aumento da população e da afluência.

• Esse aumento tem se baseado em uma maior utilização de combustíveis fósseis.


• Dois grandes problemas relacionados ao uso de combustíveis fósseis:

1) Segurança energética: reservas finitas e desigualmente distribuídas.

2) Impactos ambientais: emissão de gases de efeito estufa, entre outros.

Os doze países-membro da OPEP


• Duas grande vantagens do uso da biomassa para produção de energia:

1) Segurança energética: fonte renovável e melhor distribuída.

2) Riscos ambientais: energia proveniente da fixação (recente) do carbono.

BIOCOMBUSTÍVEIS: 1ª, 2ª E 3ª GERAÇÕES —

2ª Geração : lignocelulose

• Biodiesel pela transesterificação de óleos.

• Bioetanol por pré-tratamento e fermentação.

• Biodiesel ou biogasolina por processos termoquímicos.

• Bioetanol pela fermentação de amido e/ou açúcares.

• Bioetanol por fermentação de amido algáceo.

• Biodiesel pela transesterificação de óleos algáceos.

1ª Geração: amidos, açúcares e óleos

3ª Geração : algas e micro-organismos

• Os biocombustíveis processados são classificados conforme a matéria-prima e a tecnologia empregadas.

ETANOL HOJE: PRINCIPAIS PRODUTORES —

• Milho • Sorgo

• Cana • Trigo • Beterraba • Cevada

• Milho • Trigo

• Milho • Trigo

• Praticamente todo o bioetanol produzido no mundo é de primeira geração.

ETANOL HOJE: MATÉRIA-PRIMA AMILÁCEA —

Sacarificação

Fermentação

Amido

Glicose

Etanol

Espécie Nome científico Família

Milho Zea mays L. Poaceae

Trigo Triticum spp. Poaceae

Cevada Hordeum vulgare L. Poaceae

Batata Solanum tuberosum L. Solanaceae

Mandioca Manihot esculenta Crantz Euphorbiaceae

Batata-doce Ipomoea batatas (L.) Lam. Convolvulaceae

Arroz Oryza sativa L. Poaceae

ETANOL HOJE: MATÉRIA-PRIMA SACARINA —

Sacarose

Glicose

Etanol

Frutose

Invertase

Espécie Nome científico Família

Cana-de-açúcar Saccharum spp. Poaceae

Beterraba sacarina Beta vulgaris L. Amaranthaceae

Sorgo sacarino Sorghum bicolor (L.) Moench Poaceae

Fermentação

ETANOL HOJE: USINAS SUCROENERGÉTICAS NO BRASIL —

ETANOL LIGNOCELULÓSICO: O QUE É? —

• Complexo de três tipos de polímeros (dois de açúcares e um aromático).

• A lignocelulose é a matéria-prima mais abundante para produção de bioetanol, e pode ser obtida de:

1) Resíduos agrícolas (bagaço e palha);

2) Resíduos urbanos;

3) Resíduos florestais;

4) Culturas energéticas (Mischantus e switchgrass).

• Principal constituinte da parede celular e da biomassa seca vegetal.


1. Celulose é um polímero linear de monômeros de glicose unidos por ligações β(1→4) , o qual é insolúvel em água (cristalinidade).


2. Hemicelulose é uma família de polissacarídeos com um esqueleto formado por ligações β-(1→4) e que formam pontes de hidrogênio com a celulose (heterogeneidade).

2.1. Xilanos;

2.2. Mananos;

2.4. Xiloglucanos.

2.3. β-(1→3,1→4)-glucanos;


3. Lignina é o termo genérico para um vasto grupo de polímeros aromáticos que resultam do pareamento oxidativo combinatório de 4-hidróxi-fenil-propanóides.

Oxidative Combinatorial Coupling


• A lignina contribui de dois modos para a recalcitrância da lignocelulose:

1) Impedimento espacial;

2) Adsorção de enzimas.

• A heterogeneidade estrutural da lignina dificulta sua degradação enzimática.


Celulose

Glicose

Hemicelulose

Hexoses

Etanol

Pentoses

Lignocelulose

Lignina

Pré-tratamento

Sacarificação (Hidrólise)

Fermentação

Hexoses

Pentoses

ETANOL LIGNOCELULÓSICO: POR QUÊ? —

• Evitar a competição com o fornecimento de alimentos.

• Aumentar a produção de etanol para uma mesma quantidade de área plantada.

• Direcionar resíduos agrícolas, urbanos e florestais para a produção de bioetanol.

DESAFIOS DO ETANOL 2G: PRÉ-TRATAMENTO —

• A viabilidade do etanol de segunda geração envolve desafios em diversas frentes: agronomia, engenharia de processo, logística, equipamentos, etc...

• Os desafios que serão citados a seguir focam na área de biotecnologia.


• A disponibilização dos açúcares contidos na lignocelulose é um desafio devido à sua alta recalcitrância.

• O pré-tratamento serve para "abrir" a estrutura da lignocelulose de modo a facilitar a sua hidrólise nas etapas subsequentes.

1) Desfazer as ligações entre os polímeros;

2) Reduzir a cristalinidade da celulose;

3) Evitar a degradação dos açúcares;

4) Evitar formação de compostos inibidores da fermentação.


1) Engenharia genética buscando a redução nos teores de lignina;

2) Engenharia genética visando modificar a composição da lignina;

3) Prospecção de ligninases na natureza.


• A engenharia genética da cana-de-açúcar apresenta diversos desafios devido ao seu genoma complexo.

3) Promotores funcionais;

4) Genes de interesse.

1) Genética funcional da cana-de-açúcar (pesquisa básica);

2) Protocolos de transformação genética eficientes;

• Nenhuma linhagem transgênica de cana-de-açúcar foi lançada comercialmente até hoje.

DESAFIOS DO ETANOL 2G: HIDRÓLISE —

Endocelulases (EC 3.2.1.4)

Glicohidrolases (EC 3.2.1.74)

Celobiohidrolases I (EC 3.2.1.91)

β-D-glicosidases (EC 3.2.1.21)

• A conversão da celulose à glicose demanda a ação de pelo menos quatro classes de enzimas.


• A conversão das hemiceluloses aos seus diferentes monômeros demanda a ação de um número ainda maior de classes de enzimas diferentes.

1) Endo-xilanase;

2) Exo-xilanase;

3) β-xilosidase;

4) Arabinofuranosidase;

5) Glicuronidase;

6) Acetil-xilano esterase;

7) Ácido ferúlico esterase

8) Ácido β-cumárico esterase;

9) β-galactosidase;

etc...


1) Prospecção de enzimas hidrolíticas mais eficientes na natureza;

2) Otimização das atividades enzimáticas nas condições de processo;

3) Seleção do coquetel ótimo de enzimas;

4) Redução do custo da produção das enzimas.

DESAFIOS DO ETANOL 2G: FERMENTAÇÃO —

• A fermentação das hexoses e pentoses produzidas na etapa de hidrólise apresenta os seguintes desafios:

1) Prospecção na natureza por organismos etalonogênicos (bactérias e leveduras);

2) Otimização da atividade dos diferentes organismos empregados;

3) Engenharia genética de organismos visando a co-fermentação.

DESAFIOS DO ETANOL 2G: SIMPLIFICANDO O PROCESSO —

Fermentação das hexoses

Sacarificação (hidrólise)

Produção de enzimas

Fermentação das pentoses













SHF

SSF

SScF

CBP

Separate Hydrolysis and Fermentation

Simultaneous Saccharification and Fermentation

Consolidated Bioprocessing

Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation

CONCLUSÃO —

OBRIGADO

—

Vinicius Waldow

[email protected]

12/09/2013

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